História [editar]

Ver artigo principal: História da eletricidade Thales, o pioneiro pesquisador da eletricidade

Muito tempo antes de qualquer conhecimento científico sobre a eletricidade, as pessoas já estavam cientes dos choques desferidos pelo peixe-elétrico. No Antigo Egito,

remontando ao ano de 2750 a.C, havia textos que referiam-se a esse peixe como o

"Trovão do Nilo", descrevendo-o como o protetor de todos os outros peixes.

Encontra-se o peixe-elétrico também retratado em documentos e estudos antigos realizados por naturalistas, médicos, ou simples interessados que viveram na Grécia Antiga, no Império Romano e na região da civilização islâmica.⁹ Vários escritores antigos, como Caio Plínio Segundo e Scribonius Largus, atestaram ciência do efeito anestesiante dos choque elétricos do peixe-gato e da arraia elétrica, e de que os choques elétricos podem viajar ao longo de certos objetos condutores de eletricidade.¹⁰

Na época, os pacientes que sofriam de gota e de dor de cabeça eram aconselhados a tocar o peixe-elétrico na esperança de que os poderosos choques elétricos desferidos por esse animal pudessem curá-los.¹¹

As primeiras referências relacionadas de forma ora remota ora mais próxima à identidade elétrica do raio e à existência de outras fontes distintas de eletricidade são possivelmente as encontradas junto aos árabes, que seguramente já empregavam antes do século XV a palavra (raad), raio em seu idioma, a fim de se fazer referência às arraias elétricas.¹²

Nas culturas antigas ao longo de todo o Mediterrâneo sabia-se que determinados objetos, a exemplo pedaços de âmbar, ganham a propriedade de atrair pequenos e leves objetos, tais como penas, após atritados com pele de gato ou similar. Por volta de 600 a.C. Tales de Mileto fez uma série de observações sobre eletricidade estática, as quais levou-o a acreditar que o atrito era necessário para produzir magnetismo no âmbar; em visível contraste com o que se observa em minerais tais como magnetita, que não precisam de fricção.¹³¹⁴

Thales enganou-se ao acreditar que a atração era devida a um efeito magnético e não a um efeito elétrico, havendo a ciência evidenciado de forma correta a ligação que Thales esboçou fazer entre eletricidade e magnetismo somente milênios mais tarde (experiência de Ørsted, 1820 d.C). Em acordo com uma teoria controversa, os habitantes da região de Parthia, nordeste do atual Irã, conheciam a galvanoplastia, baseando-se tal afirmação na descoberta de 1936 da bateria de Bagdá, artefato que de fato, embora certamente incerta a natureza elétrica do mesmo, em muito se assemelha a uma célula galvânica.¹⁵

Benjamin Franklin desenvolveu uma grande pesquisa sobre a eletricidade no século XVIII, que é documentado por Joseph Priestley em (1767) no livro History and Present Status of Electricity, com quem Franklin trocou correspondências.

A eletricidade permaneceria pouco mais do que uma curiosidade intelectual por milênios, pelo menos até 1600, quando o cientista inglês William Gilbert publicou um estudo cuidadoso sobre magnetismo e eletricidade, o "De Magnete", entre outros distinguindo de forma pertinente o efeito da pedra-imã e o da eletricidade estática produzida ao se esfregar o âmbar com outro material ¹³ . Foi ele quem cunhou a palavra neolatina "electricus" ("de âmbar" ou "como âmbar", deήλεκτρον[elektron], a palavra grega para "âmbar") para referir-se à propriedade do âmbar e de outros corpos atraírem pequenos objetos depois de friccionados.¹⁶ Esta associação deu origem às palavras inglesa "electric" e "electricity", que fez sua primeira aparição na imprensa nas páginas de Pseudodoxia Epidemica, obra de Thomas Browne, em 1646.¹⁷ . Também encontram-se ai as raízes das palavras portuguesas elétrico e eletricidade. Outros trabalhos

seguiram-se, sendo esses conduzidos por pessoas como Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray e C. F. du Fay. No século XVIII, Benjamin Franklin realizou uma

ampla pesquisa sobre a eletricidade, inclusive vendendo seus bens para financiar seu trabalho. É a ele atribuído o ato de, em junho de 1752, ter prendido uma chave de metal próximo à barbela de uma pipa e, com a chave atada à linha umedecida, tê-la feito voar em uma tempestade ameaçadora.¹⁸ É incerto se Franklin pessoalmente realizou de fato esse experimento, mas o ato é popularmente atribuído a ele. Uma sucessão de faíscas saltando de uma segunda chave atada à linha para o dorso da sua mão teria então mostrado-lhe de maneira contundente que o raio tem, de fato, uma natureza elétrica.¹⁹ Michael Faraday formou a base da tecnologia de motores elétricos.

Em 1791, Luigi Galvani publicou sua descoberta da bioeletricidade, demonstrando que é por meio da eletricidade que as células nervosas passam sinais para os músculos.²⁰ A pilha voltaica de Alessandro Volta, ou simplesmente bateria, datada de 1800 e feita a partir de camadas alternadas de zinco e cobre, forneceu aos cientistas uma fonte mais confiável e estável de energia elétrica do que as antigas máquinas eletrostáticas.²⁰ A advento do eletromagnetismo, união da eletricidade e do magnetismo, é creditada à dupla Hans Christian Ørsted e André-Marie Ampère, seus trabalhos remontando aos anos 1819 e 1820; Michael Faraday inventou o motor elétrico em 1821, e Georg Ohm analisou matematicamente o circuito elétrico em 1827 .²⁰ A eletricidade e o magnetismo (e também a luz) foram definivamente unidos por James Clerk Maxwell, em particular na obra "On Physical Lines of Force", entre 1861 e 1862.²¹

Embora o rápido progresso cientifico sobre a eletricidade remonte a séculos anteriores e ao início do século XIX, foi nas décadas vindouras do século XIX que deram-se os maiores progresso na engenharia elétrica. Através dos estudos de Nikola Tesla, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Thomas Edison, Ottó Bláthy, Ányos Jedlik, Sir Charles Parsons, Joseph Swan, George Westinghouse, Werner von Siemens, Alexander Graham Bell e Lord Kelvin, a eletricidade transformou-se de uma curiosidade científica a uma ferramenta essencial para a vida moderna, ou seja, transformou-se na força motriz da Segunda Revolução Industrial.²²

Conceitos [editar]

Carga elétrica [editar]

Ver artigo principal: Carga elétrica

A carga elétrica é a propriedade dos entes físicos fundamentais, certamente das partícula subatômica, que dá origem e interage via forças eletromagnéticas, uma das quatro forças fundamentais na natureza. A carga na matéria extensa origina-se no átomo, sendo os portadores de carga mais conhecidos o elétron e o próton. A carga elétrica obedece a uma lei de conservação, o que significa dizer que a quantidade líquida total de carga no interior de um sistema isolado sempre permanece constante, sendo a carga total

essencialmente independente de qualquer mudança que ocorra no interior do sistema.²³ No interior do sistema, carga pode ser transferida entre corpos, quer pelo contato direto, quer passando através de um material condutor como um fio, ou mesmo através de portadores de carga movendo-se livremente no vácuo.²⁴

A expressão tradicional "eletricidade estática" se refere à presença de carga, ou melhor, de um desequilíbrio de cargas em um corpo, o que é geralmente causado quando se tem materiais quimicamente diferentes esfregados entre si, o que leva à transferência de cargas de um para o outro.

Uma pequena quantidade de carga elétrica em um eletroscópio de folhas é capaz de provocar notória repulsão das folhas do eletroscópio.

A presença de carga dá origem à força eletromagnética: cargas exercem força uma sobre a outra, efeito certamente conhecido, embora não compreendido, já na antiguidade.²⁵ Uma pequena esfera condutora suspensa por um fio isolante pode ser carregada através do toque de um bastão de vidro previamente carregado devido ao atrito com um tecido de algodão. Se um pêndulo similar é carregado pelo mesmo bastão de vidro, encontra-se que este irá repelir aquele: as cargas agem de forma a separar os pêndulos. Dois

pêndulos carregados via bastão de borracha também repelir-se-ão mutuamente.

Entretanto, se um pêndulo for carregado via bastão de vidro, e o outro for carregado via bastão de borracha, os pêndulos, quando aproximados, atrair-se-ão mutuamente. Esse fenômeno foi investigado no século XVIII por Charles-Augustin de Coulomb, que deduziu que as cargas apresentam-se em duas formas distintas. Suas descobertas levam ao bem conhecido axioma: objetos carregados com cargas similares se repelem, objetos carregados com cargas opostas se atraem.

A força atua sobre as cargas propriamente ditas, do qual segue que as cargas têm a tendência de se distribuir de forma a mais uniforme ou conveniente possível sobre superfícies condutoras. A magnitude da força eletrostática, quer atrativa quer repulsiva, é dada pela Lei de Coulomb, que a relaciona ao produto das cargas e retrata a relação inversa empiricamente observada dessa com o quadrado da distância que separa as cargas. A força eletromagnética é muito forte, sendo subjugada apenas pela força de interação forte (força nuclear); contudo, ao contrário desta última, que atua entre partículas separadas por não mais que alguns angstroms (1 angstrom = 1 x 10 ^-10m), a força eletromagnética é uma força de longo alcance, ou seja, uma força que atual a qualquer distância, embora o faça certamente de forma muito mais fraca quanto maior for a separação. Em comparação com a muito mais fraca força gravitacional, a força eletromagnética que repele dois elétrons próximos mostra-se 10⁺⁴² vezes maior do que a força de atração gravitacional que um exerce sobre o outro mantida a mesma separação.

As cargas do próton e do elétron são opostas em sinal, implicando que uma quantidade de carga pode ser ou positiva ou negativa. Por convenção e por razões históricas, a carga associada a um elétron é considerada a negativa, e a carga associada a um próton, positiva, um costume que originou-se com os trabalhos de Benjamin Franklin.²⁶ A quantidade de carga é usualmente representada pelo símbolo Q e expressa em coulombs; cada elétron transportando a mesma carga fundamental cujo valor é

aproximadamente -1,6022x10^-19 coulomb. O próton tem carga igual em módulo contudo oposta em sinal, +1,6022x10^-19 coulomb. Não apenas partículas de matéria possuem carga mas também as partículas de antimatéria, cada partícula carregando uma carga de igual valor mas de sinal oposto ao da carga da sua correspondente antipartícula.²⁷ Cargas elétricas podem ser medidas de diferentes formas, um dos mais antigos instrumentos sendo o eletroscópio de folhas, que embora ainda em uso em

demonstrações escolares, já há muito foi substituído pelo eletrômetros (coulombímetros) eletrônicos.

Corrente elétrica [editar]

O movimento ordenado de partículas carregadas é o que se denomina por corrente elétrica; sendo a intensidade da mesma usualmente medida em ampère. Embora se saiba hoje que nos metais as partículas móveis são os elétrons, quaisquer partículas

carregadas em movimento direcionado implicam corrente elétrica. Íons positivos ou negativos movendo-se em uma solução salina ou em um sal iônico fundido são casos típicos de corrente elétrica presente de forma dissociada do movimento de elétrons. Nos semicondutores, tantos os elétrons como os "buracos", esses quase-partículas

positivamente carregadas, movem-se em sentidos contrários a fim de definir a corrente elétrica total que circula material, que, ao contrário do que a primeira pressão sugere, não é nula nesse caso.

Por razões históricas, uma corrente positiva é definida como possuindo o mesmo sentido de movimento de qualquer portador de carga positiva que ela contenha, ou, de forma análoga contudo mais geral, em sentido que leva da parte mais positiva do circuito à parte mais negativa do mesmo. As correntes definidas com essa orientação são denominadas correntes convencionais. O movimento dos elétrons em um circuito elétrico, uma das formas mais comuns de corrente, implica uma corrente convencional positiva em sentido contrário ao do movimento dos elétrons. Em certas condições, como nos semicondutores ou em soluções iônicas, a corrente elétrica real pode consistir no movimento de portadores de carga elétrica distintas em ambas as direções ao mesmo tempo. As cargas negativas, para cômputo da corrente convencional, são assim tratadas como se positivas fossem, essas movendo-se obviamente também em direção contrária à realmente verifica para as cargas negativas. A situação hipotética onde há apenas portadores de cargas positivas em movimento é amplamente empregada por simplificar a análise em tais situações e de forma geral a análise de circuitos elétricos, e não acarreta quaisquer resultados inesperados ou incorretos.

Um arco elétrico fornece uma brilhante visualização da corrente elétrica.

O processo pelo qual as cargas elétricas se movimentam no interior de um material é denominado condução elétrica, e sua natureza varia com a natureza dos portadores de carga e com o material no qual elas estão fluindo. Exemplo de correntes elétricas incluem a condução por metais, onde os elétrons fluem através dos condutores em consideração, e a eletrólise, onde íons fluem através de líquidos. Enquanto os portadores de carga geralmente movimentam-se com velocidades muito baixas, às vezes com uma velocidade de arrasto de apenas alguns milímetros por segundo, o campo elétrico que as impulsiona propaga a velocidades próximas à da luz, possibilitando o envio quase instantêno de sinais ao longo dos condutores elétricos.

A corrente causa uma série de efeitos observáveis, e historicamente a presença destes é utilizada como meio de identificar a presença daquela. O fato da água ser decomposta por uma corrente elétrica oriunda de uma pilha voltaica foi descoberto por William Nicholson e Anthony Carlisle, mediante o processo hoje conhecido por eletrólise. Os trabalhos desses foram consideravelmente expandidos por Michael Faraday até o ano de 1833. Uma corrente através de uma resistência causa aquecimento localizado, um efeito

matematicamente estudado por James Prescott Joule em 1840. Uma das descobertas mais importanes relacionadas à corrente foi feita por Hans Christian Ørsted em 1820, quando, ao preparar uma aula, ele testemunhou a corrente elétrica em um fio perturbar a agulha magnética de uma bússula, descobrindo assim uma a relação íntima entre

eletricidade magnetismo, o primeiro passo que levou diretamente ao eletromagnetismo.

Tanto em aplicações domésticas ou industriais a corrente elétrica é usualmente caracterizada como sendo ou uma corrente contínua (CC, ou em inglês, DC) ou uma corrente alternada (CA , ou em inglês, AC). Esses termos referem-se à variação da corrente no tempo. A corrente contínua, como aquela produzida por uma bateria ou a necessária ao funcionamento da maiorias dos circuitos eletrônicos, consiste em um fluxo sempre unidirecional da corrente convencional, direcionada das partes mais positivas para as partes mais negativas do circuito através do mesmo. Se a corrente real consiste em elétrons em movimento, como nos casos mais comuns, os elétrons estarão movendo-se em sentido contrário, conforme antes discutido. Corrente alternada é qualquer corrente que inverta seu sentido repetidamente no tempo; quase sempre de forma representada por uma sinusóide. Um portador de carga em uma corrente alternada move-se adiante e para trás no interior do condutor sem contudo deslocar-se de forma efetiva ao longo do tempo. A média temporal da corrente alternada é zero, contudo essa libera energia tanto em um sentido quanto no reverso. As correntes alternadas são influenciadas por propriedades elétricas que não manifestam-se no caso da corrente elétrica contínua quando estabelecida, tais como indutância e capacitância. Essas propriedades podem mostrar-se contudo importantes em circuitos de corrente contínua quando sujeito a transientes, tais como os observados ao ligar-se o circuito.

Campo elétrico [editar]

Ver artigo principal: Campo elétrico

O conceito de campo foi introduzido por Michael Faraday ainda no século XIX, contudo sua adoção inicialmente como ferramenta matemática para o tratamento dos problemas correlatos tornou-se tão frutífera que hoje é praticamente impossível conceber-se um tratamento mais aprofundado em eletricidade, magnetismo ou

eletromagnetismo sem que se lance mão do mesmo. As equações de Maxwell são todas escritas em função dos campos elétricos e magnéticos. Em termos do campo aqui pertinente, o campo eletrostático, sabe-se que toda carga elétrica cria no espaço que a contém um campo elétrico, e qualquer carga elétrica imersa em um campo que não o campo por ela mesmo criado encontrar-se-á solicitada por uma força elétrica em virtude do mesmo. O campo elétrico age entre dois corpos carregados de uma maneira similar à ação do campo gravitacional entre duas massas, e assim como este, estende-se até o infinito, exibindo contudo uma relação com o inverso do quadrado da distância, de forma que, se a distância aumentar, muito menor será seu efeito; e associado, muito menor será também a interação entre as cargas envolvidas. Embora as semelhanças sejam significativas, há entretanto uma importante diferença entre os campos

eletrostáticos e os gravitacionais: a gravidade sempre implica atração entre as massas, contudo a interação entre um campo e a carga pode expressar atração ou repulsão entre as cargas elétricas. Como os grandes corpos massivos no universo, a exemplo os planetas ou estrelas, quase sempre não têm carga elétrica, os campos elétricos a estes devidos valem zero, de forma que a força gravitacional é de longe a força dominante ao considerarem-se dimensões astronômicas, mesmo sendo esta muito mais fraca do que a

força elétrica. Os movimentos dos corpos celestes são devidos essencialmente à gravidade que geram e que neles agem.

As linhas do campo emanando de uma carga elétrica positiva sobre um plano condutor O campo eletrostático geralmente varia no espaço, e o seu módulo em um dado ponto é definido como a força por unidade de carga elétrica (newtons por coulomb) que seria experimentada por uma carga elétrica puntual de valor negligenciável quando colocada no referido ponto.²⁸ Esta carga elétrica hipotética, nomeada carga de prova, deve ser feita extremamente pequena a fim de se prevenir que o campo elétrico por ela criado venha a perturbar a distribuição de cargas responsável pelo campo o qual deseja-se determinar, e deve ser feita estacionária a fim de se prevenir eventuais influências de campos magnéticos uma vez que esses últimos atuam apenas sobre cargas elétricas em movimento. A definição de campo elétrico faz-se de forma dependente do conceito de força, essa uma grandeza vetorial. Tem-se pois, em acordo com a definição, que o campo elétrico configura-se como um campo vetorial, tendo o vetor campo elétrico associado a cada ponto em particular uma direção e uma módulo (valor) característicos também particulares.

O estudo das cargas elétricas estacionárias e dos campos elétricos criados por essas é denominado eletrostática. A mais usual representação e um campo vetorial é a

representação por linhas. Uma representação direta seria a representação do campo de vetores, onde desenham-se os respectivos vetores campo elétrico em um número suficientemente grande de pontos do espaços a ponto de tornar o diagrama

representativo o necessário contudo não confuso. A representacão por linhas emerge naturalmente desse último ao observar-se que os vetores dispõem-se no diagrama

vetorial no caso de problemas físicos notoriamente de forma a sugestionar um padrão de linhas contínuas. Verificou-se que esse padrão de linhas sugerido poderia ser utilizado para representar um campo vetorial tão bem como o padrão por vetores, com a

vantagem de ser de representação mais nítida e fácil. Nesse padrão, as linhas são usualmente, no caso elétrico ou gravitacional, denominadas "linhas de força". A nomenclatura não é contudo a mais adequada ao caso da representação por linhas do campo magnético. Na representação por linhas verifica-se que duas linhas nunca se cruzam; que o vetor campo em um dado ponto é tangente à linha que passa pelo

respectivo ponto; que as linhas são orientadas de forma condizente com os vetores; que o módulo de um vetor é proporcional à densidade espacial de linhas em sua vizinhança imediata. Quando propostos, os campos não apresentavam existência real, esse

permeando todos os pontos do espaço mesmo os pontos entre linhas em qualquer representação por linhas. Os campos elétricos que emanam das cargas elétricas estacionárias têm as seguintes propriedades: as linhas de campo iniciam-se em cargas positivas e terminam em cargas negativas; as linhas de campo eletrostático deve encontrar as superfícies de quaisquer bons condutores elétricos em ângulo reto; e obviamente, elas nunca devem se cruzar.²⁹

Um condutor oco carrega todas as suas cargas em sua superfície. O campo por elas determinado é zero em todos os pontos internos ao corpo.³⁰ Esse é o princípio de funcionamento da gaiola de Faraday; uma blindagem condutora isola todos o seu interior de efeitos eletrostáticos externos.